熊劍

（西南民族大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心, 四川 成都 610041）

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)積件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

熊劍

（西南民族大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心, 四川 成都 610041）

積件是針對課件的局限性而發(fā)展起來的新一代教學(xué)軟件. 采用積件思想, 以建構(gòu)主義教育理論為指導(dǎo), 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)出一個教學(xué)積件平臺. 嘗試了用數(shù)據(jù)庫去查詢、檢索、管理積件庫, 用激活控件的方式去調(diào)用、控制、組合積件單元, 以全新的三維視角方式去呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容. 實踐證明, 在教師的課堂教學(xué)中, 利用積件的基元性和可積性特點, 更能體現(xiàn)課堂人性化教學(xué)設(shè)計, 有利于應(yīng)付千變?nèi)f化的現(xiàn)實課堂教學(xué).

積件; 建構(gòu)主義; 虛擬現(xiàn)實技術(shù); 教學(xué); Web3D技術(shù)

1 引言

現(xiàn)行的教材大多以配套光盤的形式出版發(fā)售. 編寫一套教材, 至少要制作一套與之對應(yīng)的課件. 課件一旦生成, 都會封裝打包形成可執(zhí)行文件, 不允許被修改和再利用, 不能由教師和學(xué)生重組改造以適應(yīng)自己當(dāng)前的教學(xué), 不利于課堂教學(xué)中師生的相互交流、相互影響[1].

積件是針對課件的局限性發(fā)展起來的現(xiàn)代教材建設(shè)的重要觀念轉(zhuǎn)變, 是以幫助教師講授某個教學(xué)難點, 或幫助學(xué)生學(xué)習(xí)某個知識技能點為目的而設(shè)計的“小課件”, 是可供教師和學(xué)生在教學(xué)中重組使用而準(zhǔn)備的資源[2].如果說課件的基本制作單位是教材, 那么, 積件則針對教材中的知識點, 其中不包含任何強加的教育理念, 在使用過程中更尊重用戶的自由選擇, 從而體現(xiàn)了積件的基元性與可積性、開放性與自繁殖性、繼承性與發(fā)展性、教學(xué)方法與教材版本無關(guān)性等特點.

近年來, 在計算機輔助教學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi), 積件的思想蔚然成風(fēng). 國內(nèi)關(guān)于積件理論研究的論文發(fā)表了很多,而各專業(yè)不同應(yīng)用領(lǐng)域提出的積件開發(fā)策略更偏重于使用方法和實現(xiàn)結(jié)果, 對積件真正的使用對象“人”的關(guān)注度不夠, 對教與學(xué)的互動關(guān)系, 以及學(xué)習(xí)者的使用體驗上更是鮮有涉及. 鑒于此, 筆者認為有必要通過切實的實踐應(yīng)用, 進一步豐富和完善積件理論.

2 目的

建構(gòu)主義教學(xué)模式強調(diào)以學(xué)生為中心, 學(xué)生是認知的主體, 是知識意義的主動建構(gòu)者. 其教學(xué)方法多種多樣, 但共性都是在教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)包含有情景創(chuàng)設(shè)和協(xié)作學(xué)習(xí), 由學(xué)習(xí)者自身最終實現(xiàn)對所學(xué)知識的意義建構(gòu)[3].

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality Technology)為情景創(chuàng)設(shè)和協(xié)作學(xué)習(xí)提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)和實現(xiàn)方案. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是由計算機仿真組成的一種媒體技術(shù), 能夠感知參與者的位臵和動作, 替代或者增強一種或者多種感官反饋, 從而產(chǎn)生一種精神沉浸于或出現(xiàn)在仿真環(huán)境(虛擬世界)中的感覺[4]. 虛擬現(xiàn)實具有三個基本特征: 沉浸性、交互性、想象性[5]. 這三個基本特征都強調(diào)“人”在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的主體地位, 符合建構(gòu)主義教學(xué)宗旨, 也符合本文對積件更應(yīng)該專注使用對象“人”的價值判斷.

本文以高校師范類專業(yè)公共課《現(xiàn)代教育技術(shù)(第2版)》[6]為課件開發(fā)教材, 針對第二章內(nèi)容“現(xiàn)代教學(xué)媒體”, 采用積件思想, 以建構(gòu)主義教育理論為指導(dǎo), 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)出一個教學(xué)積件平臺, 將該章節(jié)中所涉及的各類現(xiàn)代教學(xué)媒體的型號、特征、圖片、使用方法等信息收集到積件庫中, 并以三維實體仿真模型的方式經(jīng)調(diào)用呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者, 同時設(shè)計有相應(yīng)的交互和動畫演示功能, 能為學(xué)生提供一個接近真實體驗的示范和操作平臺. 另外, 在積件組合平臺的選擇上, 則預(yù)設(shè)了多種可能的虛擬學(xué)習(xí)場景. 學(xué)生通過進入不同場景, 查閱學(xué)習(xí)目標(biāo), 調(diào)用各類仿真模型(積件單元)進行任意組合, 完成既定任務(wù), 從而在虛擬境界中自主獲取對該章節(jié)關(guān)于教學(xué)媒體知識的意義建構(gòu).

3 方法

3.1 平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本平臺利用數(shù)據(jù)庫軟件管理積件庫中的多媒體教學(xué)資源, 為用戶提供查詢、檢索、資源定位、數(shù)據(jù)管理等功能. 當(dāng)用戶“查詢”某個積件單元, 存儲在數(shù)據(jù)庫中的該單元被定位、激活, 其內(nèi)容會通過調(diào)用API函數(shù)中的shellExecute打開, 進入演示區(qū)演示; 當(dāng)用戶進入虛擬學(xué)習(xí)場景, 則需要“檢索”出多個積件單元, 通過“組合”的方式, 激活A(yù)ctiveX控件, 調(diào)用這些積件單元的VRML類型文件, 臵入虛擬學(xué)習(xí)場景中組裝, 達到學(xué)習(xí)目的. 如圖1所示.

圖1 平臺總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Platform structure

3.2 數(shù)據(jù)庫方案設(shè)計

在目前的市面上有很多流行的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品, 如IBM的DB2、Oracle、Sybase SQL Server、Microsoft SQL Server等, 這些軟件都提供了強大的數(shù)據(jù)處理和管理功能, 既能有效地組織眾多資源, 又兼顧了效率[7].

然而, 以上這些軟件基本上是面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的, 附帶了很多管理功能, 配臵起來相當(dāng)復(fù)雜, 會影響本平臺的擴展性, 與積件思想中的平臺無關(guān)性相左.

Microsoft Office Access是由微軟公司開發(fā)的關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng), 提供對數(shù)據(jù)的存取、查詢、檢索、管理等基本功能, 簡單易用, 能滿足本平臺對數(shù)據(jù)庫的要求, 免去了大型數(shù)據(jù)庫配臵復(fù)雜等問題[8].

整個數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)很簡單, 僅僅包括了兩個數(shù)據(jù)庫表: 管理積件庫中多媒體教學(xué)資料的FileList表, 其中包括了文本、圖片、聲音、視頻、動畫演示、擴展名為.co的虛擬媒體設(shè)備文件以及與之相應(yīng)的.wrl積件單元文件(便于臵入虛擬場景); 管理場景平臺庫中多個虛擬場景的SceneList表, 里面全是.wrl場景文件.

本平臺的用戶前端界面采用VB6.0設(shè)計生成, 主要是考慮到它與Microsoft Office Access完全兼容. VB連接到Access的方法主要有三種: 使用ADO對象, 通過編寫代碼訪問數(shù)據(jù)庫; 使用ADO Data控件連接; 使用數(shù)據(jù)環(huán)境設(shè)計器連接[9]. 前兩種方法都需要配臵ODBC數(shù)據(jù)源, 這顯得既不專業(yè), 又限制了平臺的推廣. 第三種方法只需添加環(huán)境引用, 然后找到數(shù)據(jù)源就可連接, 操作簡單, 運行穩(wěn)定, 是最佳選擇.

3.3 積件庫資源建設(shè)

積件庫資源是與教材第二章內(nèi)容相關(guān)的所有資源的集合. 為了便于擴充和移植, 我們采用目錄式管理方式,將素材分為“文本”、“圖片”、“聲音”、“動畫”、“視頻”和“虛擬設(shè)備”六大類, 并對所有素材采用“名稱_類別(_備注).擴展名”的命名方式加以規(guī)范. 前五類資料容易獲取, 只有“虛擬設(shè)備”類, 需要根據(jù)教材內(nèi)容動手制作. 積件庫結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 積件庫結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Integrable ware base structure diagram

為兼顧開放性和發(fā)展性, 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享資源, 本平臺綜合各項國際標(biāo)準(zhǔn), 最終選用Web3D作為開發(fā)技術(shù). Web3D技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)上的一種應(yīng)用, 它基于建模技術(shù), 描述交互式的3D場景[10]. 目前流行的Web3D技術(shù)有VRML、Cult3D、Java3D、Virtools等.

Cult3D是由瑞典的Cycore公司推出的一種全新Web3D技術(shù), 其目的是在網(wǎng)頁上建立交互的3D對象. 它支持主流三維建模工具, 如3DS Max、Maya等軟件導(dǎo)出的模型, 生成的文件容量很小, 有利于在計算機網(wǎng)絡(luò)上傳輸[11].

本平臺的“虛擬設(shè)備”類, 主要采用在AutoCAD中繪制平面圖, 在3DS Max中建模, 貼圖并渲染生成所需模型, 在Cult3D中添加交互, 導(dǎo)出擴展名為.co的虛擬設(shè)備. 其過程為:

1)獲取實物的真實尺寸和多方位拍攝的照片, 在AutoCAD中繪制出正視圖、側(cè)視圖和俯視圖的三視圖平面,保存為.dwg文件.

2)將.dwg文件導(dǎo)入到3DS Max中, 將三視圖平面對齊并組合, 嚴(yán)格按比例建立模型. 在建模過程中, 盡量使用“基本幾何體”和“修改器堆?！? 避免使用“布爾運算”產(chǎn)生多余的面, 使貼圖發(fā)生錯誤.

3)用Adobe Photoshop處理照片, 再在3DS Max中貼圖. 不同方位拍攝的照片要注意光照和色溫等因素, 盡量使處理出來用于貼圖的圖片色彩平衡一致, 并保證這些圖片有較高的質(zhì)量和較小的容量.

4)交互功能的實現(xiàn). 將制作好的模型通過Cult3D Exporter 插件輸出為擴展名.c3d格式的文件, 導(dǎo)入Cult3DDesigner軟件中進行編輯, 根據(jù)實物具有的功能給模型對象加上各種交互事件, 最后再導(dǎo)出擴展名為.co的虛擬設(shè)備文件, 存入設(shè)備庫中.

3.4 場景平臺庫建設(shè)

場景平臺庫是為教師和學(xué)生的“替身”調(diào)用、組合積件庫資源而提供的虛擬教學(xué)環(huán)境場景庫, 相當(dāng)于積件中的組合平臺. 本教學(xué)積件平臺共提供了媒體實驗室、錄音間、攝影棚、多媒體教室、微機房和演播室六種不同的虛擬實驗環(huán)境供用戶選擇.

虛擬場景與虛擬設(shè)備的建模過程大致相同, 但是在后期的交互設(shè)計上有很大差別, 整個過程更注重場景優(yōu)化的方法. 虛擬場景中的人機交互設(shè)計和虛擬設(shè)備臵入虛擬場景用于組合的功能, 都是通過VRML語言實現(xiàn)的.

VRML(Virtual Reality Modeling Language, 虛擬現(xiàn)實建模語言), 是一種三維造型和渲染的圖形描述性語言.它能創(chuàng)建三維立體造型和場景, 實現(xiàn)良好的交互界面; 能利用感知傳感器節(jié)點感受用戶與虛擬場景之間的動態(tài)交互[12].

本平臺的虛擬場景, 采用在3DS Max的頂視圖中繪制平面圖, 建立墻體, 使用紋理貼圖, 制作簡單動畫, 渲染生成所需的場景模型, 再通過VRML導(dǎo)出插件, 導(dǎo)出擴展名為.wrl的文件, 最后使用VrmlPad軟件進行代碼優(yōu)化、添加交互等. 另外, 前面在3DS Max中制作的所有虛擬設(shè)備模型, 也要導(dǎo)出一份.wrl文件備用.

1)場景優(yōu)化方法. 用VRML構(gòu)建虛擬場景, 往往要在模型的逼真度和場景的實時性之間作平衡. 所以, 制作虛擬場景更注重優(yōu)化方法: 在3DS Max中盡量使用“基本幾何體”建模和“修改器堆?！敝谱髟煨? 使用內(nèi)臵的紋理貼圖、烘焙貼圖. 在VrmlPad中編寫代碼時, 用Inline節(jié)點將不同虛擬設(shè)備(.wrl文件)組合到場景中; 用DEF/USE、PROTO和EXTERN PROTO實現(xiàn)節(jié)點重用; 用LOD(Level Of Detail, 細節(jié)層次控制)技術(shù)提高場景渲染速度; 用Group、Transform節(jié)點對場景進行規(guī)劃; 優(yōu)化碰撞檢測; 用壓縮軟件gzip將.wrl壓縮為.gz文件等[13].

2)場景交互設(shè)計. 在3DS Max中為虛擬設(shè)備創(chuàng)建基于鼠標(biāo)點擊的關(guān)鍵幀動畫, 保存為.wrl文件后導(dǎo)入VrmlPad軟件中, 結(jié)合時間傳感器節(jié)點、動畫控制節(jié)點、觸摸檢測器節(jié)點, 構(gòu)建出一個交互式的虛擬場景. 另外, VRML還通過Script腳本節(jié)點和Java語言接口與外部聯(lián)系, 實現(xiàn)VRML場景之間的調(diào)用和外部程序的連接, 以此實現(xiàn)更加復(fù)雜的行為.

3)網(wǎng)頁集成. 在開發(fā)本平臺的過程中使用了諸多軟件和程序語言, 運行時還調(diào)用了數(shù)據(jù)庫. 我們通過網(wǎng)頁集成技術(shù), 利用它們提供的接口和訪問網(wǎng)頁的機制, 將Object標(biāo)簽嵌入到HTML代碼中, 并使用ActiveX控件實現(xiàn)的. 集成效果如圖3所示.

圖3 虛擬媒體實驗室網(wǎng)頁集成效果Fig.3 Virtual Media Lab Webpage integrated effect

4 結(jié)果

第一次運行平臺時, 需要按提示安裝相應(yīng)的瀏覽器插件. 安裝完成后即可進入平臺. 平臺效果如圖4所示.

圖4 教學(xué)積件平臺效果圖Fig.4 platform of educational Integrable ware effect chart

平臺分為三個窗體結(jié)構(gòu). 左邊有兩個窗體: 左上方窗體的功能可“搜索”、“查詢”、“檢索”, 或按目錄查找目標(biāo)文件, 左下方窗體功能是顯示其查找結(jié)果. 右邊窗體功能則能響應(yīng)左下方窗體的鼠標(biāo)雙擊動作, 調(diào)用相應(yīng)的網(wǎng)頁集成文件, 將其加載并顯示出來.

網(wǎng)頁集成文件也分為三個窗體結(jié)構(gòu). 左上方窗體可調(diào)用嵌入了.co文件或.wrl文件的網(wǎng)頁文件; 右上方窗體內(nèi)容則根據(jù)調(diào)用文件的不同有不同的顯示: 若為虛擬環(huán)境, 則顯示為教學(xué)樓平面結(jié)構(gòu)導(dǎo)航圖, 單擊其不同位臵,能進入不同的虛擬場景學(xué)習(xí), 若為虛擬設(shè)備, 則顯示為該設(shè)備的基本信息, 如型號、作用、使用方法等; 下方窗體內(nèi)容提示上方窗體調(diào)用的文件有哪些交互功能, 或應(yīng)該達到何種學(xué)習(xí)目的, 在右下角, 還提供了背景音樂和音頻解說功能.

5 結(jié)論

在技術(shù)上, 教學(xué)積件平臺嘗試了用數(shù)據(jù)庫去查詢、檢索、管理積件庫, 用激活控件的方式去調(diào)用、控制、組合積件單元, 以全新的三維視角方式去呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容. 完成了積件庫的虛擬模型建設(shè), 描述了虛擬場景組合平臺的組織方式, 提供了一條用積件思想管理虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)資源的思路, 并詳細描述了實現(xiàn)的技術(shù)細節(jié).

在實際應(yīng)用上, 本平臺的數(shù)據(jù)庫、積件庫和場景平臺庫均可拆和可積. 根據(jù)要管理資源的容量大小和應(yīng)用范圍, 可選用小型數(shù)據(jù)庫Access或大型數(shù)據(jù)庫SQL Server等, 甚至可以拆除數(shù)據(jù)庫, 按目錄式管理方式管理資源.積件庫和場景平臺庫里的資源、場景也可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容隨時補充和替換, 或用其它技術(shù)如Flash開發(fā)獲取.

在擴展性上, 本平臺在開發(fā)過程中始終遵循一些國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范. 開發(fā)軟件建議盡量使用微軟系列,如微軟的數(shù)據(jù)庫Access或SQL Server, 微軟的開發(fā)平臺VB, 與微軟IE瀏覽器兼容的Web3D技術(shù)等, 能有效避免很多難以預(yù)料的擴展性問題.

在教師教的過程中, 由于積件的基元性和可積性特點, 所有的教學(xué)資源都能根據(jù)教師意愿隨意組合, 更能體現(xiàn)課堂人性化教學(xué)設(shè)計, 有利于應(yīng)付千變?nèi)f化的現(xiàn)實課堂教學(xué).

在學(xué)生學(xué)的過程中, 由于采用了虛擬現(xiàn)實技術(shù), 學(xué)生能實時地沉浸于一個接近真實環(huán)境的虛擬場景中, 通過完成學(xué)習(xí)目標(biāo), 達到對該部分知識意義建構(gòu)的目的.

[1] 黎加厚. 從課件到積件: 我國學(xué)校課堂計算機輔助教學(xué)的新發(fā)展(上)[J]. 電化教育研究, 1997(3): 10-15.

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Design and realization for the platform of educational integrable ware based on virtual reality technology

XIONG Jian
(Modern Educational Technology Center, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.R.C.)

Integrable ware is a new generation of the educational software which breaks through courseware localization. With instructional ideas of the integrable ware thought and the constructivist learning theory, the paper develops a platform of educational integrable ware based on virtual reality technology, attempts to inquire, retrieve and manage the integrable ware resources by database, uses the exploring ways of activation of the Control to call, control and combine the integrable ware unit, and displays learning content form a new viewpoint of three dimensional perspectives. The experimental results prove that in teaching activity, the teacher makes advantage of the primitives and integrabilities of integrable ware to better express the humanized teaching design and deal with the various teaching in reality.

integrable ware; constructivist learning theory ; virtual reality technology; teaching; Web3D technology

G434

A

1003-4271(2014)04-0547-06

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.04.15

2014-05-12

熊劍(1981-), 男, 漢族, 四川宜賓人, 實驗師, 研究方向: 教育技術(shù)應(yīng)用.